吳朝來(lái)/WU Chao-lai

（中鐵隧道集團(tuán)有限公司專用設(shè)備中心，河南 洛陽(yáng) 471009）

盾構(gòu)及TBM刀盤主驅(qū)動(dòng)單元的圓周分布著多臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，這些驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)安裝在軸上的小齒輪與回轉(zhuǎn)大齒輪嚙合，剛性的連接成一個(gè)整體，從而驅(qū)動(dòng)整個(gè)刀盤。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的數(shù)量和功率隨設(shè)備的類型和大小而有所不同，一般為6～20臺(tái)電機(jī)或馬達(dá)。要使盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)安全可靠的工作，每臺(tái)電機(jī)的負(fù)荷必須均衡，因此驅(qū)動(dòng)電機(jī)必須同步運(yùn)行。電機(jī)的同步控制目前有多種實(shí)現(xiàn)方法，交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)有著啟動(dòng)電流小、效率高，調(diào)節(jié)環(huán)路的反映好，維修簡(jiǎn)單、噪音低、冷卻性能好等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于大功率驅(qū)動(dòng)。變頻電機(jī)被廣泛應(yīng)用在盾構(gòu)刀盤驅(qū)動(dòng)中。

1 刀盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)同步控制系統(tǒng)的構(gòu)成

刀盤驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)由PLC和變頻器及其圍輔助電路構(gòu)成，圖1為6臺(tái)電機(jī)的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用西門子S7-400PLC為主控器件，采用施耐德Mxeco系列的PLUS250/3153Xpcs的變頻器為驅(qū)動(dòng)器件。

圖1 刀盤驅(qū)動(dòng)同步控制系統(tǒng)

PLC為上位控制器，通過(guò)模擬量控制變頻器輸出頻率進(jìn)而控制每臺(tái)電機(jī)的速度。變頻器通過(guò)增量式旋轉(zhuǎn)編碼器構(gòu)成閉環(huán)矢量控制方式。旋轉(zhuǎn)編碼器的監(jiān)測(cè)信號(hào)同時(shí)通過(guò)PLC得高速數(shù)據(jù)通道接PLC，從而形成速度雙閉環(huán)控制。

由于每臺(tái)電機(jī)的編碼器信號(hào)均需接入PLC，對(duì)PLC的計(jì)數(shù)通道要求度多，S7-400PLC采用模塊化設(shè)計(jì)，利用功能模塊FM450-1可方便地接入多路編碼器信號(hào)。

2 刀盤驅(qū)動(dòng)控制方式

現(xiàn)有盾構(gòu)/TBM刀盤變頻驅(qū)動(dòng)的控制方式大致分為3種形式：V/F控制、開環(huán)矢量控制和閉環(huán)矢量控制。

目前所使用的盾構(gòu)/TBM中海瑞克盾構(gòu)、中鐵號(hào)盾構(gòu)、LOVAT盾構(gòu)、羅賓斯TBM及中鐵建盾構(gòu)均采用開環(huán)矢量變頻驅(qū)動(dòng)控制模式；WIRTH盾構(gòu)和NFM盾構(gòu)采用閉環(huán)矢量變頻驅(qū)動(dòng)控制模式；日系盾構(gòu)大多采用V/F變頻驅(qū)動(dòng)控模式，如小松盾構(gòu)、日立盾構(gòu)等。

2.1 V/F控制

V/F控制方式的最基本原理是V/f=C的正弦脈寬調(diào)制模式，其特點(diǎn)是控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，機(jī)械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動(dòng)的平滑調(diào)速要求。

V/F方式在低頻時(shí)，由于輸出電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。另外，其機(jī)械特性終究沒(méi)有直流電動(dòng)機(jī)硬，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意，且系統(tǒng)性能不高、控制曲線會(huì)隨負(fù)載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差等。

2.2 開環(huán)矢量控制

開環(huán)矢量控制也叫滑差式自適應(yīng)控制或無(wú)速度傳感器的矢量控制，是V/F控制基礎(chǔ)上的改進(jìn)方式，該方式可以根據(jù)電機(jī)負(fù)載自動(dòng)調(diào)整電機(jī)的輸出電壓以保證電機(jī)磁通的動(dòng)態(tài)恒定，從而提高電機(jī)的轉(zhuǎn)速精度和低頻帶載功能。

當(dāng)某個(gè)電動(dòng)機(jī)力矩偏大時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)的滑差特性，速度會(huì)降低，輸出力矩隨之降低；當(dāng)某個(gè)電動(dòng)機(jī)力矩偏小時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)的滑差特性，速度就會(huì)增加，輸出力矩隨之加大（圖2）。以此來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的均衡控制。

圖2 電動(dòng)機(jī)滑差特性

通過(guò)PROFIBUS DP總線連接各臺(tái)變頻器，將1號(hào)變頻器作為主變頻器，其將1號(hào)電機(jī)的扭矩通過(guò)DP總線傳給PLC，PLC在計(jì)算后同時(shí)賦予其他7臺(tái)變頻器，從而實(shí)現(xiàn)扭矩的協(xié)調(diào)的控制，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為無(wú)級(jí)調(diào)速，各臺(tái)變頻器的運(yùn)行情況也通過(guò)DP總線返回，各變頻器扭矩情況在人機(jī)界面上顯示。

開環(huán)矢量利用電機(jī)的滑差特性實(shí)現(xiàn)力矩的均衡控制，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制、調(diào)試維護(hù)容易等特點(diǎn),開環(huán)矢量充分發(fā)揮了電機(jī)本身的所具有的滑差特性。也是目前TBM和盾構(gòu)變頻驅(qū)動(dòng)的主要模式。

2.3 閉環(huán)控制

閉環(huán)矢量控制是有速度傳感器的矢量控制，其主要用于高精度的速度控制、轉(zhuǎn)矩控制等對(duì)控制性能要求嚴(yán)格的使用場(chǎng)合。在該方式下采用的控制傳感器一般是旋轉(zhuǎn)編碼器，并安裝在被控電動(dòng)機(jī)的軸端。而且閉環(huán)磁通矢量控制方式與開環(huán)方式不同，通常只能控制1臺(tái)電動(dòng)機(jī)。

系統(tǒng)通過(guò)PROFIBUS DP總線將幾臺(tái)變頻器連接，做旋轉(zhuǎn)方向、速度等控制功能及變頻器運(yùn)行信息的檢測(cè)功能，1號(hào)電機(jī)作為主電機(jī)安裝旋轉(zhuǎn)編碼器，做速度控制，通過(guò)SIMLINK總線連接光纜將1號(hào)電機(jī)的扭矩傳輸給其他幾臺(tái)變頻器，做扭矩控制，以達(dá)到扭矩一致，實(shí)現(xiàn)主從控制。簡(jiǎn)而言之，系統(tǒng)采用“速度控制，扭矩跟隨”的控制模式。

3 盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的同步控制算法

3.1 PID算法

目前大多數(shù)控制系統(tǒng)均采用PID控制算法，理想PID控制算法算式如下

式中u(t)——輸出信號(hào)；

e(t)——誤差信號(hào)；

Kp——比例系數(shù)；

Ti——積分常數(shù)；

TD——微分常數(shù)。

對(duì)于PLC控制采用數(shù)字PID算法，離散位置PID算式如下

式中T——采樣周期；

E(k)——第k次采樣偏差值；

E(k-1)——第(k-1)次采樣偏差值；

E(k-2)——第（k-2）次采樣偏差值。

Ki——積分常數(shù)，

KD——微分常數(shù)，

對(duì)于本系統(tǒng)偏差值為速度偏差。

位置算法有可能出現(xiàn)積分飽和出現(xiàn)超調(diào)，因此本系統(tǒng)采用增量式的PID算法，刀盤驅(qū)動(dòng)控制的PID控制模型如圖3所示，PID算法如下。

圖3 刀盤驅(qū)動(dòng)控制的PID控制模型

3.2 PID參數(shù)整定

采樣周器T為了減小系統(tǒng)的純滯后，同時(shí)又可有效的調(diào)節(jié)，采樣樣周期依據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)推薦，對(duì)速度調(diào)節(jié)取為1～2s。本系統(tǒng)取T=1s。

采用擴(kuò)充臨界比例度法確定比例系數(shù)、積分常數(shù)和微分常數(shù)。取控制度為1.05（即模擬控制效果與數(shù)字控制效果接近）則Kp和Ki可按下式計(jì)算

式中δu——臨界比例度；

Tu——臨界振蕩周期。

采用純比例控制，在采樣周期T足夠短的情況下，逐漸縮小比例帶直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，此時(shí)的比例度為δu，振蕩周期為Tu。在計(jì)算機(jī)上利用系統(tǒng)控制模型進(jìn)行仿真可方便地獲得Tu、δu。

3.3 算法實(shí)現(xiàn)

在s7-400有功能強(qiáng)大的PID調(diào)節(jié)器，并具有強(qiáng)大的PID算法編程指令。將PID參數(shù)和算式用s7-400PID算法指令進(jìn)行編程?？珊?jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)增量式PID控制。

4 運(yùn)行試驗(yàn)

為了進(jìn)一步研究盾構(gòu)刀盤驅(qū)動(dòng)同步控制的實(shí)現(xiàn)，以閉環(huán)矢量控制的方法控制多電機(jī)同步為例，對(duì)驅(qū)動(dòng)刀盤進(jìn)行了運(yùn)行試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)反復(fù)仿真試驗(yàn)后取T=2s、Kp=0.5、Ti=0.3、TD=0.15作為初使參數(shù)對(duì)單臺(tái)電機(jī)空載進(jìn)行PID調(diào)節(jié)（變頻電機(jī)單臺(tái)功率250kW），經(jīng)過(guò)反復(fù)微調(diào)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)良好，無(wú)振蕩、異常噪聲、調(diào)節(jié)時(shí)間短。

6臺(tái)電機(jī)同時(shí)空載運(yùn)行，在給定頻率為45Hz的條件下對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)的速度曲線如圖4所示。

由速度監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出單臺(tái)電機(jī)速度波動(dòng)很?。ㄐ∮?.1r/min）,1號(hào)電機(jī)和2號(hào)電機(jī)波動(dòng)范圍相同。這說(shuō)明電機(jī)速度平穩(wěn)，同步性好。

圖4 電機(jī)速度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)盾構(gòu)刀盤同步控制方法的研究和實(shí)驗(yàn)，V/F控制、開環(huán)矢量控制和閉環(huán)矢量控制都能實(shí)現(xiàn)刀盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)的同步控制，但V/F方式在低頻時(shí)，由于輸出電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小，及機(jī)械特性等方面的原因，其同步性控制方面不如開環(huán)矢量控制和閉環(huán)矢量控制；閉環(huán)矢量控制同步性控制精度高于前兩種方式，適用于對(duì)控制性能要求嚴(yán)格的使用場(chǎng)合。但這三種控制方式隨控制精度的提高其成本也有大幅提高，因此在設(shè)備選型過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)嚴(yán)格按照工況選用合適的控制方式，確保既能滿足現(xiàn)場(chǎng)使用，又能減少投入。